摘 要：通過對氯堿生產(chǎn)中氯化氫轉(zhuǎn)化工序運(yùn)行不穩(wěn)定的主要因素進(jìn)行分析，從改進(jìn)測量方式、增加冗余配置、改變聯(lián)鎖邏輯等多方面提出了改進(jìn)方案，提高了氯乙烯轉(zhuǎn)化工序運(yùn)行的穩(wěn)定性，為系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供有力依據(jù)。
電石法聚氯乙烯生產(chǎn)工藝是用電石水解產(chǎn)生的乙炔氣體和前燒堿工序產(chǎn)生的氯化氫氣體混合進(jìn)行反應(yīng)生成氯乙烯，再經(jīng)壓縮、精餾獲得高純氯乙烯，供聚合、干燥工序生產(chǎn)聚氯乙烯樹脂。在氯乙烯生產(chǎn)中， 乙炔和氯化氫以 1∶1.05～1∶1.1 的比例混合后進(jìn)入轉(zhuǎn)化器。在轉(zhuǎn)化工序的聯(lián)鎖程序中，氯化氫總管流量和乙炔總管流量比值高高或是低低、 氯化氫管道出現(xiàn)反向差壓都會聯(lián)鎖氯化氫總管和乙炔總管切斷閥關(guān)閉。因氯化氫總管、乙炔總管切斷閥的關(guān)反饋信號為前系統(tǒng)停車的聯(lián)鎖條件， 引發(fā)前燒堿工序氯化氫生產(chǎn)系統(tǒng)停車。在以上的控制回路中，當(dāng)出現(xiàn)乙炔和氯化氫流量測量波動、氯化氫管道反向差壓故障、切斷閥誤動作等非工藝生產(chǎn)故障時， 便會啟動聯(lián)鎖程序，造成系統(tǒng)非正常停車，影響生產(chǎn)安全和穩(wěn)定，給企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會影響。 本文針對氯化氫流量測量裝置精度低、易故障、氯化氫反向差壓測量不準(zhǔn)確、氯化氫總管切斷閥故障、聯(lián)鎖判據(jù)單一易啟動聯(lián)鎖幾個造成轉(zhuǎn)化工序運(yùn)行不穩(wěn)定的重點(diǎn)因素進(jìn)行了分析，查找問題和故障出現(xiàn)的原因，并針對問題提出了改進(jìn)方案， 提高氯乙烯轉(zhuǎn)化工序運(yùn)行的穩(wěn)定性，維護(hù)企業(yè)生產(chǎn)安全穩(wěn)定，保證企業(yè)設(shè)備和人員安全。
1 氯乙烯轉(zhuǎn)化工序穩(wěn)定性差的原因分析
1.1 氯化氫流量測量裝置精度低、易故障
進(jìn)入轉(zhuǎn)化工序的氯化氫氣體是由前燒堿工序生產(chǎn)的，因工藝特點(diǎn)，前工序生產(chǎn)的氯化氫氣體含有少量水分， 輸送至轉(zhuǎn)化工序的氯化氫管道一般都采用PVC 、 PE 等耐腐蝕材質(zhì)。 目前行業(yè)針對此工藝狀況，氯化氫氣體的測量大都采用孔板流量計(jì)， 取壓方式為法蘭取壓。 孔板采用 PVC 材質(zhì)，孔板法蘭、取壓短管采用與管道同材質(zhì)， 安裝時將孔板法蘭與管道焊接連接。 采用 PVC 材質(zhì)的孔板，受材質(zhì)和加工工藝的影響，孔板易老化變形且測量精度低，而且這種測量方式連接處泄漏點(diǎn)多， 容易發(fā)生氯化氫泄漏事故且不易檢修維護(hù)。在使用過程中，取壓短管受環(huán)境溫度變化的影響易老化，加之本身比較細(xì)，時常出現(xiàn)取壓短管斷裂，導(dǎo)壓管連接處泄漏等故障，引起測量波動，導(dǎo)致整個生產(chǎn)系統(tǒng)聯(lián)鎖停車，造成經(jīng)濟(jì)損失，威脅安全生產(chǎn)。
1.2 氯化氫反向差壓測量不準(zhǔn)確
在氯化氫氣體和乙炔氣體混合過程中， 當(dāng)出現(xiàn)氯化氫上游來料流量低或乙炔氣上游裝置乙炔壓縮機(jī)回流系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)回路失效造成乙炔系統(tǒng)壓力升高的非正常工況時， 如若處理不及時便會出現(xiàn)乙炔氣逆流至氯化氫管線的情況， 危及生產(chǎn)安全和造成經(jīng)濟(jì)損失。為了檢測乙炔氣體是否出現(xiàn)逆流情況，通過測量氯化氫孔板前后的差壓來判斷。 在節(jié)流孔板前后各安裝一臺壓力變送器， 當(dāng)出現(xiàn)乙炔氣逆流現(xiàn)象時，孔板后的壓力值大于孔板前壓力值，發(fā)出報警信號，延時數(shù)秒后聯(lián)鎖投入，氯化氫總管、乙炔總管切斷閥關(guān)閉。 但在實(shí)際測量中， 因氯化氫管道壓力低，一般為幾千帕，對測量儀表的要求較高。 安裝在孔板前后的兩臺壓力變送器因安裝位置不同， 特別是安裝在室外，受環(huán)境影響大，容易出現(xiàn)測量偏差，造成差壓值測量不準(zhǔn)確， 出現(xiàn)誤報警甚至導(dǎo)致聯(lián)鎖停車。 而且這種測量差壓的方式需要對兩臺壓力變送器的測量值做差值， 單臺出現(xiàn)故障或是測量不準(zhǔn)確，都會影響差壓值，測量穩(wěn)定性差。
1.3 氯化氫總管切斷閥故障
在轉(zhuǎn)化工序聯(lián)鎖邏輯中， 當(dāng)出現(xiàn)氯化氫總管流量和乙炔總管流量比值異常、 氯化氫孔板前后出現(xiàn)反向壓差的情形時，總管切斷閥聯(lián)鎖動作，隨即切斷閥關(guān)信號聯(lián)鎖上游裝置停車。由此聯(lián)鎖邏輯分析，氯化氫總管切斷閥關(guān)信號也是重要的聯(lián)鎖條件。 在生產(chǎn)實(shí)際中，即使氯化氫、乙炔進(jìn)料正常，一旦出現(xiàn)儀表氣源故障、電磁閥失電等單一故障時，切斷閥也會故障關(guān)閉，造成裝置停車，危害生產(chǎn)穩(wěn)定。 限位開關(guān)進(jìn)水短路也可能會將關(guān)反饋信號送至 DCS ，切斷閥沒有關(guān)閉也會造成上游裝置聯(lián)鎖停車。
1.4 聯(lián)鎖判據(jù)單一易啟動聯(lián)鎖
現(xiàn)有氯乙烯轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中氯化氫反向差壓、 氯化氫和乙炔流量比值均為單判據(jù)聯(lián)鎖條件， 存在單臺儀表損壞導(dǎo)致的系統(tǒng)聯(lián)鎖停車風(fēng)險。 單個變送器及導(dǎo)壓管線腐蝕、泄漏、損壞、斷線等故障均會導(dǎo)致系統(tǒng)聯(lián)鎖停車。
2 改進(jìn)措施
2.1 改變氯化氫流量測量裝置材質(zhì)和結(jié)構(gòu)形式
2.1.1 選用純金屬材質(zhì)的節(jié)流孔板提高檢測精度
在差壓式流量測量中常選用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，對于轉(zhuǎn)化工序氯化氫這種工況流量的測量可選用標(biāo)準(zhǔn)孔板。 一般用于腐蝕性介質(zhì)測量的孔板材質(zhì)為聚四氟乙烯等耐腐蝕非金屬材質(zhì)。 這種材質(zhì)的孔板在加工時，加工精度低，而且受溫度和環(huán)境的影響大，長時間使用還會出現(xiàn)孔板變形，降低測量精度 [1] 。 為解決非金屬孔板存在的問題， 可考慮選用一種合適的金屬材質(zhì)孔板。 通過查閱金屬耐腐蝕表， 對加工工藝、材料性質(zhì)、產(chǎn)品價格等綜合對比，可將節(jié)流孔板材質(zhì)改為哈氏合金 C 的金屬材質(zhì)，該材質(zhì)對氯化氫氣體有很好的耐腐蝕性， 且金屬材質(zhì)在進(jìn)行加工時，對開口和坡口的加工精度都高于非金屬材質(zhì)， 從根本上解決了孔板精度低、材質(zhì)易老化變形等問題。
2.1.2 采用徑距取壓方式提高穩(wěn)定性
標(biāo)準(zhǔn)孔板常用的取壓方式有角接取壓、 法蘭取壓和徑距取壓。 角接取壓和法蘭取壓的取壓位置在環(huán)室或法蘭上， 取壓短管直徑較小， 若為非金屬材質(zhì)，取壓管根部強(qiáng)度低，在安裝或維修時，易出現(xiàn)根部斷裂的情況。 并且長時間安裝在現(xiàn)場， 受環(huán)境影響，也易出現(xiàn)老化斷裂的情況，造成氣體外泄，威脅生產(chǎn)和人身安全。 一般轉(zhuǎn)化工序的氯化氫總管直徑較大，按照一般規(guī)定，當(dāng)管道直徑大于等于 350 mm時，可選用徑距取壓方式，這種取壓方式的取壓裝置和節(jié)流裝置是分開的，取壓孔在管道上，兩個取壓孔的中心位置分別位于孔板端面的前 1D 處和后 1/2D處， D 為管道的實(shí)際內(nèi)徑。 以DN600 管道為例，徑距取壓節(jié)流裝置結(jié)構(gòu)圖見圖 1 。
標(biāo)準(zhǔn)孔板前后管段的制作方法簡單， 可按照圖紙尺寸單好制作， 前取壓管段距節(jié)流孔板一個管道直徑的位置開取壓孔， 在取壓孔上焊接鋼制取壓短管及法蘭，整個裝置做好后進(jìn)行內(nèi)部反襯處理，后取壓管段的制作同前取壓管道。 采取圖 1 的徑距取壓裝置結(jié)構(gòu)從根本上解決了取壓導(dǎo)管老化變性、 易斷裂的問題，提高了測量裝置的穩(wěn)定性。圖 1 的裝置結(jié)構(gòu)，前取壓管道、標(biāo)準(zhǔn)孔板、后取壓管道各部件相對好立，互不影響，方便安裝更換和維修拆檢。 取壓短接材質(zhì)采用鋼襯，內(nèi)部襯層耐氯化氫氣體腐蝕，本體材質(zhì)為碳鋼，剛度強(qiáng)，不會出現(xiàn)斷裂情況，結(jié)實(shí)耐用，而且取壓短接直徑較大， 在運(yùn)行中不會出現(xiàn)積液和堵塞問題，提高了測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
采用上述取壓結(jié)構(gòu)的裝置， 正負(fù)取壓管的過程連接形式為 DN50 法蘭連接， 可連接高精度的雙法蘭差壓變送器，直接將法蘭用螺栓連接即可，但目前行業(yè)內(nèi)這種變送器的量程為 0~1.0 kPa ，僅在這個量程范圍內(nèi)可選用，超過這個量程就無法選用。由于轉(zhuǎn)化工序氯化氫總管的差壓值較小，一般為幾千帕，符合這種量程要求的變送器都為差壓配管式， 所以要解決變送器與取壓法蘭連接的問題。 變送器與取壓裝置連接示意圖見圖 2 。
變送器接頭選用耐腐蝕的哈氏合金材質(zhì)， 變送器連接法蘭選用 DN50 哈氏合金盲板制作， 中間開孔。 導(dǎo)壓管選用 PFA 材質(zhì)，采用壓接的方式與變送器接頭和變送器法蘭相連接。 螺栓、螺母、墊片按一般要求與 DN50 法蘭連接即可。 法蘭式截止閥采用與管道同材的鋼襯材質(zhì)， 可滿足氯化氫氣體的防腐蝕要求。 圖 2 的連接方式解決了配管式差壓變送器與取壓短管的法蘭連接問題，且材料結(jié)實(shí)耐用，密封性好，耐腐蝕，解決了原導(dǎo)壓管路老化變性、易斷裂的問題，提高測量裝置的穩(wěn)定性。
2.2 采用差壓變送器測量氯化氫孔板前后壓力差
氯化氫總管壓力低，孔板前后幾千帕的壓力差，采用兩臺好立的遠(yuǎn)傳壓力變送器進(jìn)行測量， 受周圍環(huán)境和變送器本身測量精度的影響， 很容易出現(xiàn)測量誤差。采用兩臺壓力變送器測量，當(dāng)有一臺變送器出現(xiàn)斷線、測量波動等情況時，便會影響正常測量。
為了解決上述問題，采用圖 1 的結(jié)構(gòu)，在前后取壓管道增加一對取壓孔， 參照氯化氫流量測量裝置的安裝方式，按照圖 2 的連接方式安裝一臺差壓變送器，用于測量氯化氫氣體反向壓差。 這樣孔板前后的差壓值通過差壓變送器內(nèi)部計(jì)算得出， 不受安裝位置和環(huán)境因素的影響， 消除了兩臺壓力變送器單好測量的測量偏差。采用這種測量方法，測量結(jié)果更為準(zhǔn)確，測量的穩(wěn)定性也得到很大提高。
2.3 降低氯化氫總管切斷閥故障措施
2.3.1 采用電磁閥并接冗余配置方式
一般情況下，切斷閥配有一臺電磁閥，通過控制電磁閥得失電控制切斷閥的開關(guān)。 氯化氫總管的切斷閥為故障關(guān)的閥門， 一旦出現(xiàn)電磁閥接線頭松動或線頭脫落、電磁閥接線口進(jìn)水、電磁閥線圈燒壞等常見故障，便會造成電磁閥失電，導(dǎo)致切斷閥意外動作，從而引發(fā)聯(lián)鎖停車。 為了避免以上情況發(fā)生，可以采用雙電磁閥冗余配置的連接方式，見圖 3 。
圖 3 中，電磁閥 1 的出氣口 B 接電磁閥 2 的排氣口 C ，正常工作狀態(tài)下，兩臺電磁閥同時勵磁，儀表空氣通過電磁閥 2 為切斷閥供氣。 采用兩臺電磁閥并接的配置方式， 當(dāng)一臺電磁閥出現(xiàn)故障或是斷電的情況，另一臺電磁閥正常工作，氣動開關(guān)閥不受影響，只有當(dāng)兩臺電磁閥同時失電或故障，氣動開關(guān)閥才會動作， 不會出現(xiàn)單臺電磁閥故障造成的閥門誤動作從而引發(fā)聯(lián)鎖事故的發(fā)生， 系統(tǒng)具有高穩(wěn)定性的特點(diǎn)。
2.3.2 采取氣源防誤碰措施
在生產(chǎn)現(xiàn)場，巡檢人員、檢修人員及施工人員在工作過程中存在誤碰現(xiàn)場設(shè)施的風(fēng)險， 尤其是現(xiàn)場施工人員。切斷閥儀表氣管和氣源球閥一旦誤碰，便會造成閥門失氣而意外動作，破壞生產(chǎn)穩(wěn)定。可以在氣源球閥處懸掛警示標(biāo)牌， 并將氣源球閥位于開的位置進(jìn)行綁扎處理，防止人員誤碰。對于安裝在室外的氯化氫總管切斷閥，可以為閥門安裝防雨罩，減少雨雪天氣穿線管進(jìn)水的風(fēng)險， 避免閥門誤動作引起聯(lián)鎖停車事故。
2.4 采取三選二聯(lián)鎖邏輯提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性
現(xiàn)有氯乙烯轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中，氯化氫流量、乙炔流量設(shè)有流量報警和流量比值調(diào)節(jié)，人員可以及時響應(yīng)。當(dāng)出現(xiàn)氯化氫和乙炔流量比值高高或是低低時，延時一段時間聯(lián)鎖投入，切斷閥關(guān)閉，在延時的時間段內(nèi)， 如果操作人員處理及時， 可以避免停車事故發(fā)生。 但是氯化氫反向壓差的聯(lián)鎖條件比較嚴(yán)格，當(dāng)壓力差出現(xiàn)負(fù)值時，延時幾秒后就投入聯(lián)鎖。當(dāng)用于測量氯化氫差壓的裝置出現(xiàn)導(dǎo)壓管線腐蝕、泄漏，變送器斷線、進(jìn)水、損壞等故障時均會引發(fā)系統(tǒng)聯(lián)鎖，存在很大的風(fēng)險。
為了解決單一聯(lián)鎖存在的風(fēng)險， 可以增加測量設(shè)備，采用三取二的聯(lián)鎖邏輯結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性 [2] 。《石油化工自動化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)范》中提出，當(dāng)一套節(jié)流裝置需要配多臺差壓變送器時，可在節(jié)流裝置上開多對取壓孔，但#多不超過 4 對。在制作氯化氫孔板的前后直管段時，開 3 對， 1 對用于氯化氫流量的測量， 另外 2 對用于氯化氫反向壓差的測量， 這種開孔方式和開孔數(shù)量符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。在具體實(shí)施中，測量氯化氫流量的差壓變送器同測量反向差壓的兩臺差壓變送器量程上限設(shè)定一致， 將流量差壓變送器的量程下限由零改為同兩臺差壓變送器的量程下限， 這樣 3 臺差壓變送器的量程范圍設(shè)定一致。 原氯化氫流量的測量和聯(lián)鎖程序保留，不受增加儀表影響。 DCS 在程序上取流量差壓值和兩臺反向差壓值作為三取二聯(lián)鎖條件。 這種聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)采用 3 個測量儀表進(jìn)行測量， 對 3 個測量結(jié)果兩兩取值，只要有兩個測量值在正常范圍內(nèi)，便不會啟動聯(lián)鎖。 這樣，即使有一臺儀表出現(xiàn)故障，也不會造成聯(lián)鎖停車。 而且， 3 臺變送器的值還可以相互比對，及時提醒維修人員對儀表進(jìn)行校驗(yàn)。采用這種邏輯結(jié)構(gòu)， 系統(tǒng)的安全性和可用性都得到了很大提高。
3 結(jié)語
綜上所述，為針對氯乙烯轉(zhuǎn)化工序運(yùn)行不穩(wěn)定的常見問題給出的技術(shù)解決方案，其中氯化氫流量測量裝置材質(zhì)和結(jié)構(gòu)形式改進(jìn)方案結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)，并可以從根本上解決老化、斷裂、腐蝕等問題，同時該方法也適用于其他大口徑小差壓腐蝕性氣體的測量，對此工況的流量儀表選用安裝有很大的指導(dǎo)意義。 另外，在對電磁閥進(jìn)行冗余配置的同時，還應(yīng)重視電磁閥本體性能方面的選用，以提高單臺電磁閥的可靠性，例如一般的電磁閥內(nèi)部接線空間狹小，不利于反復(fù)打開密封壓蓋檢查，可選用帶好立接線空間的新型防爆電磁閥，實(shí)現(xiàn)接線端子與機(jī)械動作空間的隔離。在腐蝕環(huán)境現(xiàn)場增加好立防護(hù)箱，將現(xiàn)有過濾減壓閥、電磁閥等元件進(jìn)行密封防護(hù)，杜絕現(xiàn)場腐蝕環(huán)境對氣路、線路等的腐蝕隱患，另外，還應(yīng)從設(shè)備管理、設(shè)備定期維護(hù)保養(yǎng)等多方面入手解決生產(chǎn)中常見問題，維護(hù)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。
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